英国肖氏露点仪公司关于露点湿度微量水分析仪各种原理和优缺点总结

英国肖氏露点仪公司关于露点湿度微量水分析仪各种原理和优缺点总结

仪器测量原理

湿度测量仪器从原理上可分为冷镜式、完全吸收电解式、Al2O3电容式、薄膜电容式、电阻式、干湿球、机械式。其中完全吸收电解式微水仪、Al2O3电容式露点仪一般用于低湿范围的测量，而电阻式、干湿球、机械式湿度计只能用于相对湿度的测量，冷镜式、薄膜电容式湿度计则不仅能用于低湿的测量，还能用于中高湿，即相对湿度的测量。上述各种原理的仪器各有其优缺点。其中冷镜式露点仪是*准确、*可靠、*基本的测量方法，被广泛地用于标准传递，但其缺点是价格比较昂贵，并需要有经验的人操作及保养。

1.1冷镜式露点仪
1.1.1测量原理英国肖氏露点仪公司关于露点湿度微量水分析仪各种原理和优缺点总结
被测湿气进入露点测量室时掠过冷镜面，当镜面温度高于湿气的露点温度时，镜面呈干燥状态，此时光电检露装置中光源发出的光照在镜面上，几乎完全反射，由光电传感器感应到并输出光电信号，经控制回路比较、放大、驱动热电泵，对镜面致冷。当镜面温度降至湿气露点温度时，镜面上开始结露(霜)，光照在镜面上出现漫反射，光电传感器感应到的反射信号随之减弱，此变化经控制回路比较、放大后调节热电泵激励，使其制冷功率适当减小，*后，镜面温度保持在样气露点温度上。镜面温度由一紧贴在冷镜面下方的铂电阻温度传感器感应，并显示在显示窗上。

1.1.2结构
1.1.2.1镜面
镜面应憎水，具有良好的导热性，还要耐磨、耐腐蚀，光学性能好。在过去曾使用金做镜面，目前则主要使用铑做镜面。
1.1.2.2镜面致冷
在过去曾使用过乙米蒸发、机械致冷、液化气体或干冰致冷、压缩空气致冷，目前*常用的则是热电致冷或热电与机械致冷相结合(露点低于-60℃)。在本文中着重介绍热电致冷。

1.1.2.3测温装置
目前绝大部分采用四线制铂电阻测温。铂电阻感温元件在相当宽的温度范围内阻值和温度近于线性关系，精度高，稳定性好，输出信号较强，便于数字显示。1.1.2.4检测系统
目前除芬兰Vaisala公司*近研制生产的冷镜式露点仪是采用声波原理来测量外，其它均是采用光电检测器来测量及控制。光电检测技术已有几十年的历史，比较成熟，但其缺点是不能区分过冷水和霜。
1.1.3使用注意事项

 1.1.3.1过冷水与霜
在0~-20℃这一范围内，镜面上极易形成过冷水，由于冰面和水面上的饱和水汽压不同，因此假如在镜面上形成过冷水，测得的数值要低于霜点，温度不同，差别也不同。例如霜点为-10℃时，对应的过冷水的温度为-11.23℃。因此在这一温度段要非常小心。若仪器配有内窥镜，可通过内窥镜进行观察区分。目前大部分仪器都有test的功能，即测试其*低致冷能力，此时可先使用test功能，使镜面温度低于-20℃，确保镜面上形成霜，然后再进行正式测量。
1.1.3.2开尔文效应
曲面上的饱和水汽压与平面上的情况是不同的。当露在金属表面上形成时，由于表面张力的作用，使平衡水汽压，即弯曲水面的饱和水汽压升高，这种影响称为开尔文效应。由于开尔文效应使得到的露点温度低于真正的被测气体的露点温度。
1.1.3.2拉乌尔效应
1.1.3.3镜面污染
一是拉乌尔效应，二是改变镜面本底散射水平。拉乌尔效应主要是由水溶性物质造成的。如果被测气体中这种物质(一般是可溶性盐类)，则镜面提前结露，使测量结果产生正偏差。若污染物是不溶于水的微粒，如灰尘等，则会增加本底的散射水平，从而使光电露点仪发生零点漂移。
1.1.4应用范围
露点仪的测量范围较广，目前英国MICHELL及瑞士MBW公司开发的一系列露点仪的测量范围已达到-95℃~70℃，可以满足绝大多数的测量要求。
1.1.5优缺点
优点：属基本测量，测量准确，并且仪器比较稳定无漂移，目前准确度*高的仪器可达±0.1℃。
缺点：价格较高，对操作人员的要求较高，并需进行维护。对污染物敏感。在-20℃~0℃范围内有时会有过冷水存在，因此要特别小心区分过冷水和霜。
1.2完全吸收电解法微量水份仪
1.2.1测量原理
用连续取样的方法，使气样流经一个特殊结构的电解池，其水分被作为吸湿剂的五氧化二磷层吸收，并被电解为氢气和氧气排出，而五氧化二磷得以再生。反应过程可表示为：
P2O5+H2O=2HPO3
2HPO3=H2+1/2O2+P2O5
合并(1)、(2)得
2H2O=2H2+O2
当吸收和电解达成平衡后，进入电解池的水分全部被五氧化二磷膜层吸收，并全部被电解。
由于铂电极的催化作用，水的电解反应系一可逆过程，所以当被测气样为氢气、氧气或含有足量的氢氧时，平衡向左移动，已经电解生成的氢和氧中有一部分复合生成水，继而又进行二次电解，使总的电解电流值偏高，此即“氢效应”和“氧效应”，或统称“复合效应”。实验表明，使用该仪器测定这一类气样的含水量时，读数将偏高几个至十几个ppmv，但此偏差集中反应在本底值上，故可以扣除。
1.2.2结构
仪器由气路系统和电路两部分组成，气路系统主要包括电解池和气路控制部分。英国肖氏露点仪公司关于露点湿度微量水分析仪各种原理和优缺点总结
1.2.2.1电解池
在玻璃管内部，两根铂电极绕成双螺旋形，极间均匀地涂敷五氧化二磷膜作为吸湿剂。在规定的测量条件下，这种内绕式结构可以保证对进入池内的水分全部吸收和电解。玻璃池壁利于五氧化二磷涂层均匀。由于铂具有使生成的氢和氧，尤其是富氢的气体再次发生反应生成水的作用，因此有些公司采用铑来代替铂。
对于干燥的五氧化二磷涂层，当通入“优良干燥”的气样，并在电极上施加一适当的直流电压时，电路中将产生一个不大的电流-本底值。本底值的大小仅与电解池结构、涂层状况、温度及气样种类等因素有关，而与气样含水量无关。由于本底值总是又能加在气样所含水分的电解电流上，故测定时应从仪器读数中扣除本底值后方为介质的真实含水量。

1.2.4应用范围
测量范围一般为从几个μL/L(ppmv)到2000μL/L(ppmv)，准确度一般为读数的5%或满量程的1%。可以用于多种惰性气体，某些不与P2O5反应的有机及无机气体。例如空气、氮气、氢气、氧气、氩气、氦气、氖气、一氧化碳、二氧化碳、六氟化硫、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、天然气以及某些氟里昂气体等。不能用于某些腐蚀性气体以及能与P2O5发生反应的气体，例如乙醇、某些酸性气体、不饱和烃类气体。
1.2.5优缺点
优点：属优良测量法，稳定，不漂移。
缺点：电解池寿命有限，需要再生。高湿或低湿(<1ppmv)均会缩短其寿命。低湿时响应慢。对气体流量要求较高。不能用于某些腐蚀性气体以及能与P2O5发生反应的气体。有本底。
1.3氧化铝电容式湿度计
1.3.1测量原理、结构及应用范围
该仪器形式繁多，例如便携式电池操作的、带微处理器可进行数据处理的、显示多参数的等等。但其本质是一个电容器，通过将一薄层孔状的氧化铝沉积在导电的基体上，然后再在氧化铝薄层上涂敷一层薄金。导电基体和金薄层就形成电容器的电极。水蒸气穿过金薄层被孔状的氧化铝吸收，这个电容器的阻抗与水分子个数，即水汽分压成一定的比例。通过测量该电容器的阻抗或电容可获得水汽分压，通过换算可得到露点值。结构见图2-7。
位于铝和金电极之间的氧化铝薄层在10-3Pa(约相当于-110℃露点)到水的饱和汽压的整个范围内都有响应。由于其对水的强烈的亲和力，再加上水的较大的介电常数，使得这类仪器对水有高度的选择性，而对其它普通气体及有机气和液体没有响应。
在中高湿范围其准确度一般为±1~±2℃，低湿范围，比如-100℃时，准确度一般为±2~±3℃。该类传感器不与烃类气体、CO、CO2、含氯氟烃气体发生反应，但对于不同的气体其漂移不同。对于某些腐蚀性气体，例如氨、SO3以及氯，则会损坏传感器，因此应尽量避免。
1.3.2使用注意事项
这类仪器通常的测量范围为-110℃~+20℃。当被测露点较高时，会使得仪器产生较大的漂移。同时还需注意温度系数。由于其对水汽分压产生响应，因此应注意测量时气体总压的变化。
避免灰尘、油污，测量时气体流量较大，一般为3~5(L/min)，甚至更大。
1.4薄膜电容式湿度计
1.4.1测量原理、结构及应用范围
是使用沉积在两个导电电极上的聚胺盐或醋酸纤维聚合物薄膜。当薄膜吸水或失水后，会改变两个电极间的介电常数。目前还有一种技术是使用耐高温的热固性聚合物，可使得这类传感器在高于100℃的情况下进行连续测量。目前采用高分子薄膜的就是维萨拉
1.基体，一般为玻璃，主要作用是支撑传感器的其它部分。
2.电极中的一个，由导电材料做成。
3.薄膜层。是传感器的心脏，薄膜吸水的数量与周围环境的相对湿度有关。这层膜的厚度一般为1~10(μm)。
4.上部电极，对于传感器的性能同样起着重要作用。为了得到快速响应，必须有较高的水的渗透性。同时也是导电性材料。
5.上部电极的接触垫。由于对上部电极的设计有较多的限制条件，因此为了接触良好，需加上一块单独的金属。
其测量范围较广，从-50℃~100℃露点。可用于较广的温度范围内，有时不需要温度补偿。耐高温的热固性树脂允许这类电容式湿度传感器可以在温度185℃下进行连续测量，*高使用温度取决于传感器的包装材料。对于热固性树脂的传感器来说，其另一个优点是在-50℃~100℃温度范围内，温度系数较小，因此可以很容易地在很宽的范围内达到准确测量。

1.4.2优缺点
优点：响应快，温度及湿度测量范围宽，线性好，几乎没有滞后，稳定性及重复性较好，温度系数低，成本低。
缺点：基本无。
1.5电阻式湿度计
1.5.1测量原理及结构
其敏感材料是以季铵盐的聚合物溶液作基体，将这种功能基与树脂聚合物进行反应，可以产生具有立体三维的热固性树脂，具有较好的稳定性。相对湿度的变化可以导致阴极与阳极之间的电阻发生变化。英国肖氏露点仪公司关于露点湿度微量水分析仪各种原理和优缺点总结
1.5.2优缺点
优点：基本上没有滞后和老化，温度系数较低，便宜，能耗小。温度范围-10℃~80℃，重复性优于0.5%RH，准确度较高，一般为±2%RH，在很窄的范围内可达±1%RH。

1.6机械式湿度计
1.6.1测量原理及结构
毛发、肠膜、尼龙和聚酰亚胺等有机高分子材料的长度都会随着相对湿度的变化而发生变化。机械式湿度计就是利用这一特性，将上述材料制成线状、带状感湿元件或涂覆在弹性材料上卷成游丝状感湿元件，然后通过机械放大装置将由湿度改变引起的几何量变化用指针指示出来或用记录笔记录下来，从而直接指示相对湿度。适用于实验室、机房、仓库、厂房等室内环境温湿度的测量。
1.6.2优缺点
优点：便宜，对大多数污染物不敏感，不需要电源，可以做长久记录。缺点：漂移，如果在某一湿度下使用较长的时间会丧失其灵敏度，不能用于0℃以下，响应慢，运输或振动摇摆会破坏其性能。
1.7干湿球湿度计
1.7.2优缺点
优点：当相对湿度接近100%RH时，可以得到较高的准确度。尽管若湿球温度计被污染或使用不当时会带来误差，但由于该装置比较简单，使得维修费用非常低。可以用于室温高于100℃的场合，是基本测量，稳定性好，简单，便宜，成本低。

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